Para astronom tidak tahu apa itu materi gelap, tetapi mereka tahu itu membutuhkan sekitar 25% dari Semesta. Detektor yang kuat, jauh di bawah tanah di sebuah mineshaft di Minnesota mungkin bisa sampai ke dasar misteri. Proyek Cryogenic Dark Matter Search II akan berusaha mendeteksi Weakly Interacting Massive Particles (alias WIMPS). Partikel-partikel teoretis ini biasanya tidak berinteraksi dengan materi, tetapi tabrakan langka yang sesekali mungkin dapat terdeteksi.
"Lebih sulit dan lebih sulit untuk menjauh dari kenyataan bahwa ada zat di luar sana yang membentuk sebagian besar alam semesta yang tidak dapat kita lihat," kata Cabrera. "Bintang-bintang dan galaksi itu sendiri seperti lampu pohon Natal di kapal besar ini yang gelap dan tidak menyerap maupun memancarkan cahaya."
Terkubur jauh di bawah tanah di mineshaft di Minnesota, terletak proyek Cabrera, yang disebut Cryogenic Dark Matter Search II (CDMS II). Fisikawan Universitas California-Berkeley, Bernard Sadoulet, bertindak sebagai juru bicara untuk upaya ini. Dan Bauer dari Fermilab adalah manajer proyeknya, dan Dan Akerib dari Case Western Reserve University adalah wakil manajer proyek. Sebuah tim yang terdiri dari 46 ilmuwan di 13 institusi bekerja sama dalam proyek ini.
Untuk menangkap WIMP
Eksperimen ini adalah yang paling sensitif di dunia yang bertujuan untuk mendeteksi partikel eksotis yang disebut WIMPS (Weakly Interacting Massive Particles), yang merupakan salah satu tebakan terbaik para ilmuwan tentang apa yang membentuk materi gelap. Pilihan lain termasuk neutrino, partikel berteori yang disebut axion atau bahkan benda normal seperti lubang hitam dan bintang katai coklat yang terlalu samar untuk dilihat.
WIMPS dianggap netral dan memiliki berat lebih dari 100 kali massa proton. Saat ini partikel-partikel elementer ini hanya ada dalam teori dan belum pernah diamati. Para ilmuwan berpikir mereka belum menemukannya karena mereka sangat sulit ditangkap. WIMPS tidak berinteraksi dengan sebagian besar materi - partikel pemalu melewati tubuh kita - tetapi CDMS II bertujuan untuk menangkap mereka dalam tabrakan yang jarang terjadi dengan atom-atom di detektor proyek yang dibuat khusus.
"Partikel-partikel ini sebagian besar melewati Bumi tanpa hamburan," kata Cabrera. "Satu-satunya alasan kita bahkan memiliki kesempatan untuk melihat peristiwa adalah karena [ada] begitu banyak partikel yang sangat jarang satu akan [masuk ke detektor] dan tersebar."
Detektor disembunyikan di bawah lapisan bumi di tambang Soudan Minnesota untuk melindunginya dari sinar kosmik dan partikel lain yang mungkin bertabrakan dengan detektor dan disalahartikan sebagai materi gelap. Faktanya, setengah dari pertempuran bagi para ilmuwan yang bekerja pada CDMS II adalah untuk melindungi instrumen mereka sebanyak mungkin dari segalanya kecuali WIMPS dan untuk mengembangkan sistem yang rumit untuk mengetahui perbedaan antara materi gelap dan lebih banyak partikel duniawi.
"Detektor kami adalah benda berbentuk hoki-keping yang perlu hidup pada 50 ribu derajat di atas nol mutlak," kata Walter Ogburn, seorang mahasiswa pascasarjana di Stanford yang bekerja pada proyek tersebut. "Sulit untuk membuat hal-hal sedingin itu."
Untuk itu, instrumen diletakkan di dalam tabung yang disebut kotak es, dilapisi dengan enam lapisan isolasi, dari suhu kamar di luar hingga yang paling dingin di dalam. Ini membuat detektor sangat dingin sehingga bahkan atom tidak bisa menggigil.
Detektor terbuat dari kristal silikon padat dan germanium padat. Atom silikon atau germanium tetap diam dalam kisi yang sempurna. Jika WIMPS menabrak mereka, mereka akan bergoyang dan mengeluarkan paket kecil panas yang disebut fonon. Ketika fonon naik ke permukaan detektor, mereka menciptakan perubahan pada lapisan tungsten yang sangat sensitif, yang dapat direkam oleh para peneliti. Sirkuit kedua di sisi lain detektor mengukur ion, partikel bermuatan yang akan dilepaskan dari tabrakan WIMP dan atom di detektor.
“Kedua saluran itu mari kita membedakan berbagai jenis interaksi,” kata Ogburn. "Beberapa hal menghasilkan ionisasi lebih banyak dan beberapa hal menghasilkan lebih sedikit, sehingga Anda bisa membedakannya seperti itu."
Dibutuhkan satu tim ilmuwan di berbagai fasilitas untuk membangun detektor. Tim membeli kristal dari perusahaan luar, dan para peneliti di Pusat Sistem Terpadu Stanford membuat instrumen pengukur pada permukaan detektor. “Kami menggunakan hal yang sama untuk membuat ini yang digunakan orang untuk membuat mikroprosesor karena itu juga sangat kecil,” kata Matt Pyle, mahasiswa pascasarjana lainnya di lab Cabrera.
Gumpalan petunjuk
Subset dari WIMPS, yang disebut neutralino, adalah partikel paling ringan yang diharapkan oleh supersimetri, sebuah teori yang memprediksi pasangan untuk setiap partikel yang telah kita amati. Jika CDMS II berhasil menemukan neutralino, ini akan menjadi bukti pertama untuk supersimetri. "Supersimetri menyarankan ada sektor lain di luar sana yang terdiri dari partikel yang merupakan mitra dari partikel kita yang ada," kata Cabrera. “Ada banyak cara di mana supersimetri terlihat sangat mungkin. Tapi belum ada bukti langsung untuk pasangan partikel [supersimetri] yang cocok. "
Lemahnya interaksi WIMPS adalah mengapa, meskipun partikel materi gelap memiliki massa dan mematuhi hukum gravitasi, mereka tidak mengumpul menjadi galaksi dan bintang seperti materi normal. Untuk menggumpal, partikel harus menabrak dan saling menempel. Tapi WIMPS paling sering terbang tepat satu sama lain. Plus, karena WIMPS netral, mereka tidak membentuk atom, yang membutuhkan daya tarik proton bermuatan positif untuk elektron bermuatan negatif.
"Materi gelap menembus segalanya," kata Cabrera. "Itu tidak pernah runtuh seperti atom."
Karena materi gelap tidak pernah membentuk bintang dan benda-benda surgawi lainnya yang sudah dikenal, sejak lama para ilmuwan tidak pernah tahu bahwa itu ada di sana. Indikasi awal keberadaannya datang pada 1930-an ketika Fritz Zwicky, seorang astronom Swiss-Amerika, mengamati gugusan galaksi. Dia menambahkan massa galaksi dan memperhatikan bahwa tidak ada cukup massa untuk memperhitungkan gravitasi yang harus ada untuk menyatukan cluster. Sesuatu yang lain harus menyediakan massa yang hilang, ia menyimpulkan.
Kemudian pada tahun 1970-an, Vera Rubin, seorang astronom Amerika, mengukur kecepatan bintang di Bima Sakti dan galaksi terdekat lainnya. Ketika dia melihat lebih jauh ke arah tepi galaksi-galaksi ini, dia menemukan bahwa bintang-bintang tidak berputar lebih lambat seperti yang diperkirakan para ilmuwan. "Itu tidak masuk akal," kata Cabrera. "Satu-satunya cara Anda bisa memahaminya adalah jika ada lebih banyak massa di sana daripada apa yang Anda lihat di cahaya bintang."
Selama bertahun-tahun, semakin banyak bukti untuk materi gelap telah menumpuk. Meskipun para ilmuwan belum tahu apa itu, mereka memiliki gagasan yang lebih baik tentang di mana itu dan berapa banyak seharusnya. "Hanya ada sedikit ruang gerak yang tersisa karena jumlah yang berbeda," kata Cabrera.
"Kami belum melihat apa pun yang terlihat seperti sinyal menarik hingga saat ini," katanya. Tetapi para peneliti CDMS II melanjutkan pencarian. Jadi, lakukan juga kelompok lain. ZEPLIN, sebuah eksperimen yang dijalankan oleh fisikawan di University of California-Los Angeles dan Kerajaan Inggris Dark Matter Collaboration, bertujuan untuk menangkap WIMPs di tong-tong xenon cair di sebuah tambang dekat Sheffield, Inggris. Dan di Kutub Selatan, proyek Universitas Wisconsin-Madison bernama IceCube sedang dibangun yang akan menggunakan sensor optik yang terkubur dalam-dalam di es untuk mencari neutrino, partikel berenergi tinggi yang merupakan tanda tangan pemusnahan WIMP.
Sementara itu, CDMS II terus berkembang. Para peneliti sedang membangun detektor yang lebih besar dan lebih besar untuk meningkatkan peluang mereka menemukan WIMPS. Di masa depan, tim berharap untuk membangun detektor 1-ton yang seharusnya dapat menemukan banyak jenis WIMPS yang paling mungkin, jika ada. “Kami mengambil data sekarang dengan massa target germanium lebih dari dua kali lipat dari sebelumnya, jadi kami pasti menjelajahi wilayah baru sekarang,” kata Ogburn. "Tapi ada banyak lagi yang harus dibahas."
Sumber Asli: Siaran Berita Stanford
